ATLAS实验7TeV对撞能量下单顶夸克T道产生截面测量

摘要

组成世界的基本物质是什么?是什么力量将它们组合在一起?这些是人们一直以来就在思考的问题。粒子物理学就是研究组成物质的基本粒子和它们之间的相互作用的科学。从1897年发现电子开始，粒子物理学从原子理论逐步发展到粒子物理中的标准模型(SM)。标准模型描述了三代夸克和轻子，以及四种基本相互作用。它成功地解释和预测了各种各样的实验结果，但仍然有一些问题仍然没有答案，如为什么只有三代夸克，引力相互作用为什么难以包括在统一理论中。项夸克，是标准模型中最重的夸克。由于顶夸克的质量接近电弱破缺标度，它的产生和衰变过程对标准模型以外的新物理非常敏感。因此，对顶夸克的研究是对标准模型的一个很好的测试，也是探索可能的新物理现象的有效手段。
　　 位于欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)和美国费米实验室的Tevatron的是世界仅有的能在实验条件下产生项夸克的地方。大型强子对撞机加速质子和质子束并进行质子一质子对撞，而Tevatron是质子一反质子对撞机。在这两种实验中，顶夸克的主要产生过程是强相互作用的项夸克对过程。而顶夸克同样可以通过弱电相互作用单独产生，这种过程称为单顶夸克产生过程。
　　 对单顶夸克产生的研究可以帮助我们了解粒子之间的弱相互作用机制。单顶夸克的的产生截面测量可直接推导出标准模型中的一个未知参数，CMK矩阵的元素|Vtb|。此外，有一些新物理会显著地改变单顶夸克的产生过程的截面比率。因此，检查单顶夸克的产生截面与标准模型预测值之间的差距可以很好地验证标准模型。单顶夸克产生过程也是许多可能的新物理的背景事例，所以研究单顶夸克产生对新物理的探索也是非常重要的。
　　 单顶夸克产生有三个不同的过程，t-道，Wt联合产生道，和s-道。本论文的主要工作是利用大型强子对撞机上ATLAS探测器采集的数据，来测量中心能量7TeV的质子-质子对撞下单顶夸克t道的产生截面。这项工作是世界上单顶夸克研究的最新成果之一。它是对标准模型预言的测试，有助于人们对单顶夸克的产生过程的进一步了解。
　　 论文第一章阐述了标准模型和顶夸克物理的主要内容。大型强子对撞机实验和ATLAS探测器在第二章中给出了介绍，其中还解释了ATLAS实验中的数据重建和传输过程。第三章描述了单顶夸克t道的产生和它的末态粒子，以及可能的背景事例，并解释了蒙特卡罗模拟产生信号和背景的信息。单顶夸克t道的截面测量的第一步是选出单顶夸克信号事例丰富的数据，这就是所谓的事例预选。然后，利用多变量分析方法来进一步提高信噪比，以精确地测量单顶夸克的截面。论文的第四章介绍了单顶夸克t道的预选和背景事例的估计。第五章中详细介绍了所应用的多变量分析方法，决策树群方法，并给出截面测量的结果。最后一章第六章总结了论文的分析结果，并对未来的单顶夸克研究做出展望。